Segertiden skrevs till 49,45 och var en förbättring av Dressels två år gamla världsrekord.
Tvåa blev ungraren Kristof Milak som hamnade efter i början av loppet men kom tillbaka starkt mot slutet. Han var 23 hundradelar bakom på 49,68. Schweizaren Noe Ponti blev trea på 50,74.
– Jag kände att det skulle stå mellan mig och Kristof och då är det fint när killen bredvid dig är den du behöver slå, säger Dressel.
När bokstäverna ”WR” (world record) dök upp på resultattavlan utbrast Dressel i ett stort leende och tog Milak, som simmade på banan bredvid, i hand.
Sedan sträckte Dressel armen i luften i triumf. Men efter konstaterade 24-åringen:
– Kristof kommer att göra mig arbetslös en vacker dag så jag försöker bara hänga med så länge jag kan.
”Oacceptabelt för USA”
Det här var det andra individuella världsrekordet under spelen i Tokyo.
I övrigt hade Dressel ett hektiskt finalpass med tre lopp. På 50 meter fritt är han finalklar med den snabbaste tiden (21,42), men på den mixade medleylagkappen slutade USA först på femte plats.
– En femte plats är oacceptabelt för USA. Det svider, säger han efteråt.
Storbritannien vann på nya världsrekordtiden 3.37,58.
Caeleb Dressel är uppe i tre guld i Tokyo och kan som mest nå upp till fem.
MER SIMNING: Här missar Sarah Sjöström medalj på 100 meter frisim (30 juli 2021)